采煤機(jī)搖臂齒輪箱故障診斷技術(shù)研究重慶理工大學(xué)碩士學(xué)位論文PAGE10PAGE9目錄TOC\o"1-3"\h\u431引言 2267321.1課題研究的背景 244791.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 4166271.2.1齒輪箱故障診斷研究的國內(nèi)外現(xiàn)狀 45131.2.2搖臂齒輪箱故障診斷現(xiàn)狀 887801.3本課題研究的主要內(nèi)容及安排 8250792搖臂齒輪箱結(jié)構(gòu)分析及典型故障統(tǒng)計(jì)分析 983172.1電牽引雙滾筒采煤機(jī)簡介 937852.2EICKHOFFSL1000搖臂齒輪箱結(jié)構(gòu)分析 1179302.3搖臂齒輪箱工況分析 1348892.4搖臂齒輪箱故障統(tǒng)計(jì)分析 13263272.4.1搖臂齒輪箱故障統(tǒng)計(jì)分析 13165722.4.2搖臂齒輪箱故障原因分析 14172462.5本章小節(jié) 1670333搖臂齒輪箱振動機(jī)理及故障特征分析 18833.1齒輪振動機(jī)理分析 1888843.1.1齒輪系統(tǒng)振動動態(tài)激勵分析 19162473.1.2齒輪故障失效形式分析 20146983.1.3齒輪振動信號的調(diào)制分析 2218023.2滾動軸承故障機(jī)理分析 26100353.2.1滾動軸承振動機(jī)理分析 26146723.2.2滾動軸承故障故障特征頻率分析 27169273.2.3滾動軸承失效形式分析 29259703.3齒輪箱故障振動信號分析及搖臂齒輪箱典型故障特征分析 3042633.3.1齒輪箱故障振動信號分析 3092633.3.2搖臂齒輪箱主要故障形式及振動信號故障特征 31276643.4本章小節(jié) 3218424信號分析方法研究 33120124.1振動信號時域分析 3361594.1.1時域波形分析 3363034.1.2時域特征值統(tǒng)計(jì)分析 3431244.1.3時域平均分析 3556514.1.4相關(guān)分析 37156964.2振動信號頻域分析 37248284.2.1信號頻譜分析基礎(chǔ) 37127964.2.2功率譜分析 39128984.2.3頻譜細(xì)化分析（ZOOM-FFT） 4083664.2.4倒頻譜分析 40272064.2.5Hilbert解調(diào)分析 42264254.2.6共振解調(diào)分析 45239634.3信號的時頻分析 468804.3.1Hilbert-Huang變換分析 47176514.4本章小節(jié) 50157705采煤機(jī)搖臂齒輪箱振動測試與分析 51229145.1采煤機(jī)搖臂齒輪箱故障振動現(xiàn)場測試與分析 51317135.1.1測試對象 51234095.1.2測點(diǎn)的選擇 54117475.1.3測試儀器 56214015.1.4測試結(jié)果與分析 58312365.2本章小節(jié) 59133256總結(jié)與展望 60251526.1總結(jié) 60220626.2展望 601156致謝 622581參考文獻(xiàn) 631引言1.1課題研究的背景我國是一個多煤少油貧氣的國家，已探明的煤炭儲量占世界煤炭儲量的33.8％，可采量位居第二，產(chǎn)量位居世界第一位。煤炭在我國一次性能源結(jié)構(gòu)中處于絕對主要位置，50年代曾高達(dá)90％。隨著大慶油田、勝利油田及天然氣等的開發(fā)和利用，一次性能源結(jié)構(gòu)才有了一定程度的改變，但近二十年來煤仍然占到70％以上，在今后相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，煤炭作為我國主要能源形式還將長期占著重要地位。在2009年度《中國可持續(xù)能源發(fā)展戰(zhàn)略》研究報(bào)告中，20多位院士一致認(rèn)為，到2010年煤炭在一次性能源生產(chǎn)和消費(fèi)中將占60％左右；到2050年，煤炭所占比例不會低于50％?？梢灶A(yù)見，煤炭工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中的基礎(chǔ)地位，將是長期的和穩(wěn)固的，具有不可替代性[1][2]。而作為我國特大煤炭生產(chǎn)基地，神東礦區(qū)（指神東公司所屬礦井）2010年生產(chǎn)原煤達(dá)2億噸，占全國煤炭產(chǎn)量6%強(qiáng)，其高效的生產(chǎn)、管理模式，有力地促進(jìn)了我國煤炭行業(yè)生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變，正積極地引導(dǎo)著中國煤炭工業(yè)向現(xiàn)代化、信息化、數(shù)字化方面發(fā)展，為我國煤炭工業(yè)的安全健康發(fā)展，起了積極的示范促進(jìn)作用。神東礦區(qū)自2005年在全國率先成為億噸礦區(qū)以來，更是以每年2000萬噸的增長速度快速發(fā)展，在2010年又在全國率先成為2億噸特大生產(chǎn)基地。目前，神東礦區(qū)常年綜采工作面保持在30個左右，年安裝回撤工作面達(dá)各達(dá)50多個，其高產(chǎn)高效的生產(chǎn)管理模式有力地支撐起神東礦區(qū)的快速發(fā)展并引起世界煤炭工業(yè)廣泛關(guān)注。作為綜采工作面關(guān)鍵設(shè)備之一，神東礦區(qū)全部引進(jìn)先進(jìn)世界上采煤國家大功率、高強(qiáng)度采煤機(jī)，典型如德國EICKHOFFSL型采煤機(jī)、美國LS系列采煤機(jī)，總裝機(jī)功率最大已達(dá)2590KW，如EICKHOFFSL1000-6698采煤機(jī)目前在神東礦區(qū)補(bǔ)連塔礦使用，其單截割電機(jī)功率達(dá)1000KW，滾筒直徑達(dá)3.5米，采高范圍可達(dá)7米，是目前世界上在用的最大電牽引交流變頻雙滾筒采煤機(jī)。自神東礦區(qū)1994年正式引進(jìn)世界范圍內(nèi)先進(jìn)采礦設(shè)備以來，截止2010年，采煤機(jī)目前已引進(jìn)達(dá)45臺。隨著采煤機(jī)過煤量（采煤機(jī)壽命期內(nèi)產(chǎn)量）的大幅度提高，人停機(jī)不停、高強(qiáng)度的生產(chǎn)模式，設(shè)備的老化現(xiàn)象嚴(yán)重，故障率特別是關(guān)鍵部件故障率大幅度升高，已在一定程度上制約著綜采工作面制約產(chǎn)量的提高，影響到礦井均衡生產(chǎn)計(jì)劃，進(jìn)而甚至影響到礦區(qū)高產(chǎn)高效模式。如2007年神東礦區(qū)補(bǔ)連塔煤礦31401綜采工作面一臺EICKHOFFSL6459電牽引采煤機(jī)因右搖臂齒輪箱行星頭故障，由于故障原因不明，現(xiàn)場判斷處理不當(dāng)，最后不得不整體更右換截割部搖臂齒輪箱，直接設(shè)備部件經(jīng)濟(jì)達(dá)450萬元，影響生產(chǎn)達(dá)38個小時，影響產(chǎn)量達(dá)6萬噸，間接損失3000多萬元，造成嚴(yán)重生產(chǎn)事故，影響較大[3]。采煤機(jī)截割部搖臂齒輪箱作為采煤機(jī)關(guān)鍵部件，直接承擔(dān)綜采工作面截割動力傳動的重任，據(jù)對神東礦區(qū)近年來進(jìn)口采煤機(jī)搖臂齒輪箱故障率的統(tǒng)計(jì)，平均搖臂齒輪箱又占采煤機(jī)故障率的34.2%，且有呈現(xiàn)逐年上升的趨勢。表1-1搖臂齒輪箱占采煤機(jī)故障率統(tǒng)計(jì)表[3]年份2004200520062007200820092010搖臂故障率27.5%33.3%29.4%34.6%38.5%36.2%39.8%由于其與一般工業(yè)用齒輪箱安裝方式不一樣，現(xiàn)代典型先進(jìn)的采煤機(jī)截割搖臂齒輪箱，其連接方式為截割電機(jī)+搖臂齒輪箱+螺旋截割滾筒，截割部作為一個整體與采煤機(jī)機(jī)身通過搖臂連接板（俗稱搖臂耳座）銷軸連接，截割部隨著綜采工作面采煤機(jī)截割煤生產(chǎn)工藝而上下前后調(diào)整，搖臂齒輪箱一方面隨煤壁采高的不同而上下調(diào)整，另外一方面隨著采煤機(jī)截割煤壁方向而前進(jìn)或后退，這種復(fù)雜的安裝接方式?jīng)Q定了采煤機(jī)搖臂齒輪箱隨著采煤機(jī)截割部上下前后移動，運(yùn)行工況十分復(fù)雜。隨著設(shè)備的老化和高強(qiáng)度生產(chǎn)模式（平均一天檢修3小時，生產(chǎn)約20小時）作為采煤機(jī)最薄弱部件，搖臂齒輪箱承擔(dān)著采煤機(jī)故障最主要故障源，極大地制約著綜采工作面的產(chǎn)量的提高。一直以來，由于煤礦行業(yè)生產(chǎn)環(huán)境惡劣，煤炭工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展不景氣，煤礦工人素質(zhì)普遍低，專業(yè)人才的缺乏，技術(shù)力量的落后，嚴(yán)重制約了采礦設(shè)備故障診斷維修水平的發(fā)展，煤礦企業(yè)設(shè)備管理水平大大落后于一般工業(yè)企業(yè)，如電力行業(yè)、鋼鐵行業(yè)。許多國產(chǎn)采礦設(shè)備開機(jī)率極低，可靠性非常差，有的甚至在設(shè)備安裝調(diào)試階段就出現(xiàn)這樣故障或那樣問題而現(xiàn)場不能解決，最后只能拉回設(shè)備生產(chǎn)廠家解決，即便是下井設(shè)備也經(jīng)常出現(xiàn)故障而不能正常有效運(yùn)轉(zhuǎn)，極大了影響到煤礦安全生產(chǎn)水平的提高和煤炭產(chǎn)量的提升。作為采煤機(jī)搖臂齒輪箱，因其安裝、運(yùn)行方式的特殊，目前在我國國有重點(diǎn)煤礦一般采用油液鐵譜分析技術(shù)對搖臂齒輪箱狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，鐵譜分析是通過鐵譜技術(shù)對齒輪箱潤滑油液磨損顆粒的大小、形態(tài)、面積、特征等參數(shù)進(jìn)行定性或定量的分析搖齒輪箱齒輪箱工作狀態(tài)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。然而鐵譜分析技術(shù)最大的缺點(diǎn)就是受制于人為因素、量大繁雜費(fèi)時，不能及時準(zhǔn)確快速地在現(xiàn)場判斷搖臂齒輪箱工作狀態(tài)，在生產(chǎn)實(shí)踐中不能及時準(zhǔn)確滿足現(xiàn)場實(shí)際需要。隨著近二十年來設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)的快速發(fā)展，特別是針對齒輪箱故障診斷技術(shù)理論與實(shí)踐的成熟，機(jī)械振動監(jiān)測、信號處理、狀態(tài)識別用于齒輪箱故障診斷取得巨大的成功，本課題根據(jù)對齒輪箱振動故障機(jī)理分析、信號測試采集技術(shù)、故障特征提取分析，試將機(jī)械振動故障診斷方法應(yīng)用于煤礦現(xiàn)場采煤機(jī)搖臂齒輪箱故障診斷中，提高了搖臂齒輪箱工作可靠性，預(yù)知設(shè)備狀態(tài)，確保了安全生產(chǎn)；降低了煤礦工人勞動生產(chǎn)強(qiáng)度、節(jié)約生產(chǎn)成本、提高了采煤機(jī)開機(jī)率；積極推廣先進(jìn)的設(shè)備故障診斷技術(shù)于礦山設(shè)備管理中，促進(jìn)礦山設(shè)備管理水平的提高，促進(jìn)了礦井高產(chǎn)高效生產(chǎn)模式的發(fā)展。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1齒輪箱故障診斷研究的國內(nèi)外現(xiàn)狀設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷(EquipmentConditionMonitoringandFaultsDiagnosis)是隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步及設(shè)備管理水平的提高而快速發(fā)展起來的一門綜合性高新技術(shù),它以機(jī)械、力學(xué)、電子、數(shù)學(xué)、物理、計(jì)算機(jī)及人工智能技術(shù)等多個學(xué)科作為基礎(chǔ)，作為一門新型實(shí)用技術(shù),它廣泛地應(yīng)用到世界范圍內(nèi)工礦企業(yè)設(shè)備管理實(shí)踐中，并取得了可觀的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益[4]。設(shè)備故障診斷發(fā)展歷程大致經(jīng)歷了如下三個階段：第一個階段是設(shè)備故障診斷技術(shù)的初級階段，20世紀(jì)六十年代以前,設(shè)備故障診斷主要以現(xiàn)場工人直觀判斷或?qū)＜覀鹘y(tǒng)經(jīng)驗(yàn)為主,診斷結(jié)論往往是對現(xiàn)場設(shè)備故障現(xiàn)象作簡單的定性分析,主要特點(diǎn)是結(jié)合傳統(tǒng)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對設(shè)備狀態(tài)作出簡單的判斷,極大地受制于個人經(jīng)驗(yàn)水平;第二階段是設(shè)備故障診斷快速發(fā)展階段,20世紀(jì)六十年代以后,隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)水平的大幅度快速躍進(jìn),以傳感器技術(shù)、測試技術(shù)及信號處理技術(shù)為基礎(chǔ)現(xiàn)代設(shè)備故障診斷技術(shù)得到極大發(fā)展，設(shè)備故障診斷理論快速發(fā)展，故障診斷系統(tǒng)、儀器的大量研制，診斷方法百花齊放，尤其以機(jī)械振動信號測試、信號分析處理、故障特征提取為基礎(chǔ)的振動故障診斷技術(shù)在機(jī)械設(shè)備故障診斷中得到廣泛應(yīng)用；第三階段是設(shè)備故障診斷智能診斷技術(shù)階段，20世紀(jì)80年代中期以后，機(jī)電設(shè)備日益向大功率、多功能化、復(fù)雜化、智能化方向發(fā)展，而隨著人類科技文明的進(jìn)一步發(fā)展，設(shè)備故障智能診斷技術(shù)也得到了飛速發(fā)展，基于知識的人工智能故障診斷系統(tǒng)層出不窮，如故障診斷專家系統(tǒng)、模糊故障診斷系統(tǒng)、灰色理論、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)故障診斷等等新概念診斷模式在生產(chǎn)實(shí)踐中得到進(jìn)一步的推廣應(yīng)用[5]。齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的研究最早始于20世紀(jì)60年代，根據(jù)診斷方法一般可以分為兩大類：一類是根據(jù)摩擦磨損理論，通過鐵譜技術(shù)分析齒輪箱潤滑油中的磨屑顆粒性質(zhì)大小特征來診斷齒輪箱的運(yùn)行狀況及發(fā)展趨勢，目前在某些行業(yè)也廣泛應(yīng)用，如神東礦區(qū)采煤機(jī)、刮板運(yùn)輸機(jī)等礦山設(shè)備采取鐵譜分析技術(shù)來對各類關(guān)鍵齒輪箱狀態(tài)作監(jiān)測，并取得一定的效果；另一類則通過對齒輪運(yùn)行中的動態(tài)信號分析處理來診斷齒輪箱的運(yùn)行狀況，由于振動信號便于采集記錄、信號處理技術(shù)的飛速發(fā)展以及不易受到干擾等優(yōu)點(diǎn)，在世界各國工業(yè)設(shè)備管理中更大范圍內(nèi)被廣泛采用[6]。目前齒輪箱故障診斷研究主要集中在齒輪箱故障機(jī)理研究、振動信號處理和典型故障特征的提取、診斷方法和人工智能技術(shù)的應(yīng)用及齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)和儀器研制四個方面。（1）齒輪箱故障機(jī)理的研究故障機(jī)理研究是設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷的理論基礎(chǔ)，是獲得正確診斷結(jié)果的前提條件。它是以現(xiàn)代數(shù)學(xué)、線性和非線性動力學(xué)理論、動力學(xué)、材料力學(xué)、摩擦學(xué)、振動與噪聲、物理、計(jì)算機(jī)技術(shù)等眾多學(xué)科為基礎(chǔ)，根據(jù)所研究對象的故障特點(diǎn)，結(jié)合數(shù)字模擬仿真和實(shí)驗(yàn)研究，建立設(shè)備故障對應(yīng)的數(shù)學(xué)物理模型，模擬故障的動力學(xué)特性，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,了解故障的形成與發(fā)展過程，從而掌握故障的產(chǎn)生原因及故障與特征之間的復(fù)雜關(guān)系[7]。早在一百多年前，人們就已經(jīng)開始對齒輪箱的振動和噪聲機(jī)理進(jìn)行了研究。但直到上個世紀(jì)六十年代中期，齒輪的振動和噪聲才成為評價一個齒輪箱傳動系統(tǒng)好壞的重要因素，并引起了世界范圍內(nèi)各國學(xué)者的廣泛關(guān)注。英國學(xué)者H．optiz在1968年就齒輪振動與噪聲的機(jī)理，發(fā)表了一些著名的研究報(bào)告，其中闡述了齒輪箱的振動和噪聲是傳動功率和齒輪傳動誤差及齒輪精度的函數(shù)。另外，如美國的Buckingham和德國的Niemann也對齒輪箱的振動和噪聲機(jī)理作出了自己的研究。我國很多學(xué)者教授對齒輪箱故障機(jī)理也很了很多研究，如丁康等對齒輪箱典型故障振動特征與診斷策略進(jìn)行了研究、李潤芳等研究齒輪系統(tǒng)動力學(xué)，研究齒輪振動、沖擊及噪聲機(jī)理，研究表明嚙合剛度、嚙合誤差、及嚙合沖擊內(nèi)部激勵是齒輪振動是根本因素，并研究了齒輪系統(tǒng)振動分析模型。在齒輪箱軸承故障診斷方面也開展了大量的理論及實(shí)踐研究。近年來，國內(nèi)大批科研院所博士碩士在相關(guān)科研課題資金資助下大量開展齒輪箱故障診斷研究工作，并取得了可喜的研究成果[8][9][10][11]。（2）振動信號處理信號處理與典型故障特征提取技術(shù)是通過對傳感器采集的信號進(jìn)行有效的分析與處理，提取出能敏感反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的典型故障特征信息。齒輪箱振動信號的處理是齒輪箱故障診斷的關(guān)鍵，國內(nèi)外學(xué)者在這方面研究取得了重要的成果[]。近幾十年來，信號處理技術(shù)經(jīng)歷了由時域－頻域－時頻域發(fā)展過程。傳統(tǒng)的時域分析包括時域波形分析、時域參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析，包括最大值、峰峰值、均值、均方值、和方差等，及無量綱的特征值指標(biāo)，其中有方根幅值、平均幅值、均方幅值、峭度、波形指標(biāo)、峰值指標(biāo)、脈沖指標(biāo)、裕度指標(biāo)等?；趥鹘y(tǒng)的傅里葉變換的經(jīng)典的頻譜信號分析方法，如頻譜分析、倒頻譜分析、細(xì)化分析、Hilbert包絡(luò)解調(diào)分析等在指導(dǎo)齒輪箱等機(jī)電設(shè)備故障診斷實(shí)踐應(yīng)用中取得了巨大的成果，目前我國研制的大多數(shù)設(shè)備故障診斷儀器最普遍配置基礎(chǔ)頻譜分析功能，基本能滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。但是傅里葉變換對是建立在信號平穩(wěn)性假設(shè)理論基礎(chǔ)之上的一種時域和頻域的全局性變換，它對分析平穩(wěn)（或準(zhǔn)平穩(wěn)）程的振動信號是十分有效，但對非平穩(wěn)性信號則表現(xiàn)不盡人意，不能很好地提取非穩(wěn)性信號的特征。由于機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行過程中由于阻尼、剛度、彈性等非線性及動態(tài)響應(yīng)的非線性，反映在其振動信號上也具有非平穩(wěn)性。當(dāng)齒輪箱發(fā)生沖擊、碰摩、裂紋故障障時，其振動信號往往表現(xiàn)非平穩(wěn)性，因此信號非平穩(wěn)性是設(shè)備故障的最根本表征。對于這些非平穩(wěn)性振動信號必須用非平穩(wěn)信號處理方法，即時頻分析，如短時傅里葉變換（ShortTimeFourierTransform，STFT）、Wigner-Ville分布、小波變換（WaveletTransform，WT）、Hilbert-Huang變換、信號肓源分析、雙線性時間—頻率變換等時頻分方法[12]。（3）齒輪箱故障診斷方法的研究針對齒輪箱故障診斷，目前主要有振動信號處理診斷和油液鐵譜分析技術(shù)診斷兩大類，本課題將針對采煤機(jī)搖臂齒輪箱故障振動診斷進(jìn)行研究。齒輪箱中齒輪、軸、軸承在工作時由于齒輪傳動特性其內(nèi)部激勵原因會產(chǎn)生正常振動，若齒輪箱發(fā)生故障，其振動信號的幅值及頻率成分均會明顯變化，根據(jù)幅值及頻率變化特點(diǎn)及典型齒輪箱典型故障振動特征就可以對齒輪箱故障進(jìn)行診斷。振動診斷方法可分為簡易、精密和自動智能診斷三種方法，簡易診斷主要指對齒輪箱振動信號值（一般速度值，俗稱振動列度）進(jìn)行簡單的定期檢測，并參考相關(guān)振動標(biāo)準(zhǔn)，從趨勢上觀察齒輪箱運(yùn)行狀態(tài)的發(fā)展趨勢。由于齒輪箱振動頻率復(fù)雜性，齒輪箱出現(xiàn)故障征兆時往往需要定位診斷故障，所以工程實(shí)際中大多數(shù)情況下進(jìn)行精密診斷。目前齒輪箱故障診斷正由常規(guī)的振動信號時域分析、頻域分析到時頻分析再到基于知識的人工智能診斷方向發(fā)展，最近十幾年來，隨著信號處理技術(shù)的發(fā)展和人工智能技術(shù)的發(fā)展及相關(guān)理論結(jié)合的齒輪箱故障診斷方法紛紛出現(xiàn)，并引起國內(nèi)外專家學(xué)者廣泛研究，如基于專家系統(tǒng)的故障診斷方法、基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（特別是三層BP網(wǎng)絡(luò)）的故障診斷方法、基于模糊理論的故障診斷方法及基于支持向量機(jī)（SVM）故障診斷方法等，在齒輪箱故障診斷實(shí)踐工程案例中也取得較好的效果[13][14][15]。（4）齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)和故障診斷儀器研制目前國內(nèi)外針對設(shè)備振動故障診斷系統(tǒng)和儀器研究進(jìn)行了大量的開發(fā)，國內(nèi)外均有相當(dāng)成功的成熟產(chǎn)品用于工程實(shí)踐中，如瑞典的SPM公司便捷式LEONOVA綜合設(shè)備狀態(tài)檢測系統(tǒng)，美國羅克韋爾公司DP1500數(shù)據(jù)采集器，國內(nèi)最早的北京振通檢測技術(shù)研究所的振通904數(shù)據(jù)采集器，鄭州大學(xué)振動工程研究所的eM3000設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控與運(yùn)行管理系統(tǒng)等，及近十年流行的基于PC機(jī)的虛擬儀器振動監(jiān)測系統(tǒng)，如北京伊麥特公司EMT690系統(tǒng)等正廣泛應(yīng)用教學(xué)及工程實(shí)踐，取得了較好的效益[16][17]。由于齒輪箱的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)際工況多變，診斷中涉及的問題較多，現(xiàn)有的齒輪箱故障診斷機(jī)理、故障診斷理論、信號處理技術(shù)及診斷系統(tǒng)都不同程度的存在或多或少問題，主要體現(xiàn)在以下幾個方面:(1)對齒輪箱故障和振動產(chǎn)生機(jī)理研究不夠透徹，大多是定性的結(jié)論，建立完整的數(shù)學(xué)力學(xué)模型，進(jìn)行定量分析存在著相當(dāng)大的困難；(2)現(xiàn)行的診斷方法大多是以箱體振動信號進(jìn)行研究，從現(xiàn)代信號處理技術(shù)上深入研究，而沒有結(jié)合其它診斷方法，往往導(dǎo)致出現(xiàn)診斷誤診斷；(3)當(dāng)前理論研究上一般將齒輪箱作為一個線性系統(tǒng)進(jìn)行研究，但在齒輪箱故障試驗(yàn)臺及工程實(shí)踐中表明，齒輪箱的振動涉及很多非線性因素；（4）齒輪箱故障診斷的專家知識庫很缺乏，知識庫可靠性和推廣性差，很多診斷實(shí)例無法表達(dá)成通用的知識規(guī)則。由以上分析可知，深入研究齒輪箱故障機(jī)理，融合多種診斷手段，優(yōu)化數(shù)學(xué)力學(xué)模型，構(gòu)造專家知識庫，進(jìn)行人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方面的探索以及新型信號處理方法的研究應(yīng)用，基于虛擬儀器的設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷系統(tǒng)將是當(dāng)前齒輪箱故障診斷的發(fā)展方向[18]。1.2.2搖臂齒輪箱故障診斷現(xiàn)狀由于煤礦井下生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境惡劣，采煤機(jī)搖臂齒輪箱安裝方式特殊，采煤機(jī)生產(chǎn)工藝等特點(diǎn)，采煤機(jī)振動復(fù)雜，影響因素多，目前國內(nèi)外針對搖臂齒輪箱故障診斷振動診斷未見相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。據(jù)外方服務(wù)工程師反饋，國外先進(jìn)采煤國家如德國等主要基于搖臂齒輪箱設(shè)計(jì)優(yōu)化，加強(qiáng)零部件質(zhì)量，搖臂齒輪箱加載試驗(yàn)臺試驗(yàn)或計(jì)算機(jī)模擬仿真試驗(yàn)等技術(shù)來提高采煤機(jī)搖臂齒輪箱工作可靠性；加強(qiáng)采煤機(jī)搖臂齒輪箱現(xiàn)場運(yùn)行維護(hù)，一旦出現(xiàn)故障按相關(guān)維護(hù)操作程序快速排除，若是不能迅速解決，則直接更換搖臂齒輪箱，不致于影響生產(chǎn)計(jì)劃。目前國外先進(jìn)采煤國家對搖臂齒輪箱現(xiàn)場運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測一般是通過在搖臂齒輪箱內(nèi)安裝一個磁塞棒，通過定期開窗查看磁塞棒鐵磁性磨損顆粒的多少來判斷搖臂齒輪箱工作狀態(tài)，現(xiàn)場僅僅通過采煤機(jī)司機(jī)經(jīng)驗(yàn)，及搖臂齒輪箱異常噪聲來處理搖臂齒輪箱相關(guān)簡易故障，若發(fā)生嚴(yán)重故障，采煤機(jī)截割部不能工作，一般處理措施是直接更換截割部或搖臂齒輪箱（如美國煤礦安全生產(chǎn)法規(guī)規(guī)定采煤工作面兩端至少是各三條大斷面巷道，甚至是四條巷道，非常方便井下大型部件的運(yùn)輸及相關(guān)部件的解撤），以免影響生產(chǎn)。目前國外先進(jìn)采煤國家基本停止搖臂齒輪箱潤滑油鐵譜分析。而國內(nèi)方面，以神東為代表的采煤機(jī)搖臂齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測主要采用以潤滑油液鐵譜分析技術(shù)，通過定期（一般15天，發(fā)現(xiàn)有異常現(xiàn)象則取油周期相應(yīng)縮短）采集搖臂齒輪箱潤滑油，通過鐵譜分析對潤滑油中鐵磁性顆粒大小、形狀、特征等參數(shù)進(jìn)行定性或定量分析，目前一般以定性分析為主，以正常、輕微、異常、嚴(yán)重劃分四個不同的狀態(tài)等級，基本上一個較為模糊的判斷，往往不能給現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行以明確的診斷結(jié)果，造成一些突發(fā)性故障，嚴(yán)重影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行。鐵譜分析的最大制約因素是人的主觀判斷，靠分析人員的經(jīng)驗(yàn)來判斷及采樣、制譜過程不規(guī)范，往往造成嚴(yán)重誤判，其發(fā)展程度正類似于設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的第一個階段，目前對于構(gòu)造一個針對特定設(shè)備如搖臂齒輪箱鐵譜分析數(shù)據(jù)庫，自動譜片分析智能系統(tǒng)對于提高鐵譜分析精度和準(zhǔn)確度有著十分重要的意義，但其工作繁雜，不適合地一般工礦企業(yè)來操作[19]。1.3本課題研究的主要內(nèi)容及安排本課題針對工程實(shí)際問題，積極引入齒輪箱故障振動診斷方法于采煤機(jī)搖臂齒輪箱這一特殊領(lǐng)域，補(bǔ)充目前在煤礦廣泛在用的鐵譜分析方法之不足，更好地促進(jìn)煤礦設(shè)備管理水平的提高，預(yù)防搖臂齒輪箱突發(fā)故障，提高搖臂齒輪箱工作可靠性，促進(jìn)礦井均衡生產(chǎn)。各章主要內(nèi)容安排如下：1首先闡明搖臂齒輪箱故障診斷研究的背景及意義，介紹齒輪箱故障診斷研究的現(xiàn)狀及搖臂齒輪箱故障現(xiàn)場診斷的現(xiàn)狀；2詳細(xì)分析搖臂齒輪箱結(jié)構(gòu)、搖臂齒輪箱失效形式、統(tǒng)計(jì)分析典型故障特征；3研究齒輪箱振動機(jī)理、失效形式分析及典型故障特征研究；4研究搖臂齒輪箱振動信號分析處理方法及搖臂齒輪箱故障診斷方法研究5針對搖臂齒輪箱故障進(jìn)行現(xiàn)場離線測試，故障診斷案例分析6結(jié)論及展望2搖臂齒輪箱結(jié)構(gòu)分析及典型故障統(tǒng)計(jì)分析2.1電牽引雙滾筒采煤機(jī)簡介圖2-1典型現(xiàn)代交流變頻電牽引雙滾筒采煤機(jī)機(jī)型結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示，采煤機(jī)主要由截割部、牽引部、電氣控制箱、附屬裝置等組成。截割部包括截割電機(jī)、搖臂齒輪箱箱和螺旋滾筒以及滾筒調(diào)高裝置。牽引部包括牽引部齒輪箱（俗稱牽引塊）和行走機(jī)構(gòu)。電氣箱包括動力電器、牽引調(diào)速控制系統(tǒng)電器、各種保護(hù)和故障診斷、狀態(tài)顯示、位置顯示和報(bào)警裝置等。附屬裝置包括采煤機(jī)導(dǎo)向裝置、油箱、破碎機(jī)構(gòu)以及冷卻、噴霧系統(tǒng)等。采煤機(jī)割煤是通過裝有截齒的滾筒的旋轉(zhuǎn)和采煤機(jī)沿刮板輸送機(jī)牽引運(yùn)行而進(jìn)行的。截割電機(jī)通過搖臂齒輪箱，將動力傳遞到滾筒，使之旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)落煤和裝煤。牽引電機(jī)通過牽引齒輪箱減速使齒軌輪轉(zhuǎn)動，通過與刮板運(yùn)輸機(jī)上鏈軌的嚙合相對運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)牽引行走，滾筒連續(xù)切割割煤。通過螺旋滾筒葉片上截齒切割下的煤塊，并將煤塊拋至刮板輸送機(jī)溜槽內(nèi)，實(shí)現(xiàn)綜采工作面連續(xù)生產(chǎn)作業(yè)。電牽引采煤機(jī)較傳統(tǒng)的液壓牽引采煤機(jī)具有牽引特性好、四象限運(yùn)行、機(jī)械傳動效率高、牽引力大、牽引速度高、可靠性高、易于實(shí)現(xiàn)微機(jī)自動控制、機(jī)械結(jié)構(gòu)較簡單、生產(chǎn)率高等優(yōu)勢，目前在世界范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用并迅速取代液壓、機(jī)械牽引采煤機(jī)?，F(xiàn)代采煤機(jī)截割部為整體結(jié)構(gòu)，截割電機(jī)、搖臂齒輪箱、螺旋滾筒構(gòu)成截割部整體，與以往采煤機(jī)結(jié)構(gòu)不同的是采用多電機(jī)橫向布置,采煤機(jī)機(jī)身不設(shè)置固定減速部分，截割部截割電機(jī)減速直接通過搖臂齒輪箱直接將動力傳遞到螺旋滾筒[20][21]。目前神東礦區(qū)補(bǔ)連塔煤礦7米大采高綜采工作面引進(jìn)德國EICKHOFF公司生產(chǎn)的SL10006698交流變頻電牽引雙滾筒采煤機(jī)，該采煤機(jī)總裝機(jī)功率達(dá)2590KW，截割滾筒直徑達(dá)3.5米，截割電機(jī)功率達(dá)1000Kw，為目前世界上技術(shù)最先進(jìn)采煤機(jī)之一。2.2EICKHOFFSL1000搖臂齒輪箱結(jié)構(gòu)分析圖2-2采煤機(jī)截割部結(jié)構(gòu)示意三維圖截割部通過連接板（俗稱搖臂耳座）用銷軸與采煤機(jī)機(jī)身聯(lián)接，通過液壓調(diào)高油缸來調(diào)整截割部滾筒的位置，以適應(yīng)綜采工作面煤層高度變化及生產(chǎn)工藝的需要。圖2-8SL1000搖臂齒輪箱傳動系統(tǒng)簡圖1滾筒；2直齒輪；3剪切軸；4截割電機(jī)；5剪切軸離合器表2-2EICKHOFFSL1000搖臂齒輪箱傳動參數(shù)齒輪齒數(shù)模數(shù)

[mm]轉(zhuǎn)速i=53.4

[r/min]z1307.51492z2417.51092z3427.51066z4288.51066z5398.5765z6388.5786z7398.5765z8398.5765z9226.5765z10456.5313z111136.50z12269.0125z13319.081z14909.00滾筒轉(zhuǎn)速(nA)=27.9JOY采煤機(jī)與EICKHOFF采煤機(jī)兩者無論是總體機(jī)械布局結(jié)構(gòu)還是部件結(jié)構(gòu)均相差不大。EICKHOFF搖臂齒輪箱相對JOY搖臂齒輪箱不同之處在于將直齒輪減速部分潤滑油與行星頭部分潤滑油分開，各成系統(tǒng)，不互相影響；高速區(qū)直接采用兩級減速（Z1、Z2、Z3）再經(jīng)中間惰輪傳遞到低速區(qū)行星頭[24]。從以上文字、圖表分析可以看出，搖臂齒輪箱是一個非常復(fù)雜的機(jī)械傳動系統(tǒng)。一般在井下現(xiàn)場出現(xiàn)故障特別是低速區(qū)故障和浮動密封損壞等突發(fā)性故障現(xiàn)場將無法維修，只有采取更換搖臂的方式來快速解決問題，以免影響到生產(chǎn)。2.3搖臂齒輪箱工況分析采煤機(jī)截割部搖臂齒輪箱作為采煤機(jī)關(guān)鍵動力傳動裝置,因其特殊的安裝、運(yùn)行方式、綜采工作面生產(chǎn)環(huán)境等決定了其工況惡劣,主要表現(xiàn)在以下幾個方面:1）、搖臂齒輪箱不像一般式業(yè)用齒輪箱固定安裝，而是隨采煤機(jī)截割部整體向上或向下傾斜、隨著采煤機(jī)來回移動；2）、搖臂齒輪箱負(fù)載不均，隨時可能受到來自大型煤塊、煤矸石或誤操作等因素致使搖臂齒輪箱瞬間受到巨大沖擊；3）、采煤機(jī)振動源多，多電機(jī)振動（如截割電機(jī)、牽引電機(jī)等）、搖臂齒輪箱振動、牽引齒輪箱振動、采煤機(jī)自身行走與刮板運(yùn)輸機(jī)齒軌嚙合振動、工作面不平等因素交叉振動均影響到搖臂齒輪箱振動。4）、綜采工作面生產(chǎn)時煤粉塵及滅塵噴霧水等惡劣生產(chǎn)環(huán)境。2.4搖臂齒輪箱故障統(tǒng)計(jì)分析2.4.1搖臂齒輪箱故障統(tǒng)計(jì)分析針對神東礦區(qū)近年來進(jìn)口電牽引采煤機(jī)搖臂齒輪箱典型故障統(tǒng)計(jì)分析可以發(fā)現(xiàn)搖臂齒輪箱主要故障源為高速區(qū)一級減速直齒輪及軸承、低速區(qū)兩級行星輪系及浮動油封三大塊[3]。表2-32005-2010采煤機(jī)搖臂齒輪箱典型故障統(tǒng)計(jì)分析故障模式高速區(qū)直齒輪及軸承低速區(qū)兩級行星輪系浮動密封（冷卻密封）頻次211514(2）據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，其中高速區(qū)故障主要指一級直齒輪系，主要包括高速齒輪如A、B齒輪及軸承，占搖臂齒輪箱總體故障比率42%（其中，JOY搖臂齒輪箱高速區(qū)相對故障率高，占80%左右）；低速區(qū)故障主要指兩級行星輪系，特別是二級行星輪斷齒、內(nèi)齒圈斷齒及大圓錐軸承故障占總體故障比例30%（其中，Eickhoff搖臂齒輪箱低速區(qū)相對故障率高，占70%左右）；浮動密封故障作為搖臂齒輪箱特有故障特征，其故障比重也非常大，如果出現(xiàn)故障，將引起搖臂齒輪箱漏油及煤塵等進(jìn)入齒輪箱引發(fā)行星輪系及軸承二次事故，一直以來浮動密封問題是國內(nèi)外采煤機(jī)搖臂齒輪箱一個大難題，故障率一直居高不下[25][26][27]。2.4.2搖臂齒輪箱故障原因分析高速區(qū)故障主要表現(xiàn)在高速齒輪齒面膠合和擦傷，在高速或重載齒輪傳動中，由于搖臂齒輪箱潤滑條件的惡化（如因浮動密封故障導(dǎo)致漏油）而致使嚙合齒面間的油膜破裂，齒輪齒面在一定的壓力作用下直接接觸，“焊合”后又有相對運(yùn)動，金屬從齒面上撕落，或從一個齒面向另一個齒面轉(zhuǎn)移而引起損傷。由于齒面間接觸點(diǎn)局部溫度升高，油膜及其它表面膜破裂，表層金屬熔合而后又撕裂形成熱膠合損傷，形成嚴(yán)重的振動和噪聲。高速區(qū)故障往往表現(xiàn)為齒輪故障引起強(qiáng)烈振動及異常噪聲及過熱再引發(fā)軸承故障，最后往往要全部更換齒輪及軸承。低速區(qū)故障主要指兩級行星輪系故障，特別是二級行星輪斷齒、內(nèi)齒圈斷齒故障及搖臂齒輪箱大軸承故障。搖臂齒輪箱兩級行星輪系是典型的低速重載區(qū)域，當(dāng)搖臂齒輪箱受到?jīng)_擊或過載，造成行星輪突然受沖擊瞬間斷齒或長期過載造成內(nèi)齒圈疲勞點(diǎn)蝕、裂紋最終斷齒故障，或大軸承故障磨損、剝落等故障最終引發(fā)行星輪系齒輪軸承故障。浮動密封主要用來防止漏油以及水、粉塵進(jìn)入截割搖臂齒輪箱，其故障主要是浮動密封損壞，主要由于疲勞摩擦損傷，及潤滑油變質(zhì)，或磨損顆粒長期擦傷引起浮動密封故障，引起齒輪箱漏油故障，進(jìn)而引發(fā)搖臂齒輪箱齒輪、軸承等相關(guān)故障。（1）高速區(qū)A、B齒輪及軸承故障高速區(qū)故障主要表現(xiàn)為A、B齒輪故障及軸承故障，主要表現(xiàn)為A、B齒輪齒面膠合損傷，磨損、過熱變形及軸承點(diǎn)蝕失效。1）、齒輪箱密封失效漏油或油堵丟失漏油，致使搖臂齒輪箱高速區(qū)潤滑不良、干摩擦、高溫高速致使高速區(qū)齒輪膠合擦傷及軸承點(diǎn)蝕損壞：2）、齒輪質(zhì)量問題、維修工藝差、安裝工藝差造成搖臂齒輪箱高速區(qū)齒輪及軸承意外故障；3）、綜采工作面條件差，如遇構(gòu)造帶強(qiáng)行割矸石，負(fù)荷過大造成搖臂齒輪箱高速區(qū)齒輪疲勞損傷；4）、搖臂齒輪箱出現(xiàn)異常現(xiàn)象，如異常噪音、漏油，沒有及時處理，造成事故進(jìn)一步擴(kuò)大,甚至損傷到C、D、E等齒輪。（2）低速區(qū)兩級行星輪系統(tǒng)低速區(qū)兩級行星輪系統(tǒng)故障，主要表現(xiàn)為二級輸出行星輪及內(nèi)齒圈碎裂、大圓錐軸承故障、行星輸出架損壞及一級行星系統(tǒng)等故障。1)、疲勞損壞（往往油液鐵譜分析有異常磨損現(xiàn)象而沒有及時處理）；2）、大圓錐軸承點(diǎn)蝕故障；3）、齒輪箱漏油引起干摩擦及顆粒污染導(dǎo)致行星輪及內(nèi)齒輪圈齒輪故障；4）、截割電機(jī)剪切扭矩軸沒有起到過載保護(hù)作用，受強(qiáng)載荷沖擊而損壞二級。（3）密封故障密封故障主要指搖臂齒輪箱二級輸出行星架浮動密封故障。1）、浮動密封質(zhì)量問題；2）、安裝不良；3）、疲勞損壞4）、密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理；本課題將主要針對高速區(qū)及低速區(qū)齒輪軸承作振動故障診斷研究，暫對浮動密封故障不作具體研究，針對浮動密封故障，目前可以采取的措施主要是改進(jìn)浮動密封結(jié)構(gòu)形式、優(yōu)化密封結(jié)構(gòu)、提高密封件質(zhì)量、正確安裝等[]。二級行星輪齒斷齒圖2-9二級行星輪斷齒故障二級行星輪齒斷齒二級行星系統(tǒng)內(nèi)齒圈斷齒二級行星系統(tǒng)內(nèi)齒圈斷齒圖2-10二級行星系統(tǒng)內(nèi)齒圈斷齒2.5本章小節(jié)本章首先對現(xiàn)代采煤機(jī)結(jié)構(gòu)、工作原理作簡單介紹，然后對搖臂齒輪箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,再針對搖臂齒輪箱常見典型故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出搖臂齒輪箱主要發(fā)生在高速區(qū)、低速區(qū)及浮動密封三大類故障模式，簡要分析搖臂齒輪箱工況，及故障原因。3搖臂齒輪箱振動機(jī)理及故障特征分析3.1齒輪振動機(jī)理分析齒輪箱傳動系統(tǒng)主要包括齒輪副、軸、軸承和箱體四大件，也可以包括與齒輪傳動有關(guān)的聯(lián)軸器、原動機(jī)和負(fù)載等。齒輪箱傳動系統(tǒng)是一個非常復(fù)雜的非線性機(jī)械振動系統(tǒng),理論上要建立起其完整的非線性振動模型是非常困難的，在研究齒輪及齒輪箱故障時，往往忽略其次要因素，抓住問題的本質(zhì)，通常將齒輪傳動副進(jìn)行簡化?，F(xiàn)以單對齒輪傳動副作為一個振動系統(tǒng)來分析研究，其振動物理模型簡化為如圖3-1所示。圖3-1單對齒輪嚙合物理模型根據(jù)振動理論，該齒輪副可以看作一個振動系統(tǒng),其動力學(xué)方程可以簡化為M+C+k(t)=F(t)(3-1)式中：為沿嚙合線上齒輪相對位移(=);M為當(dāng)量質(zhì)量，M=(m1m2)／(m1+m2)：C為齒輪副嚙合阻尼；K(t)為嚙合剛度；F(t)為外界激勵。F(t)為外界沖擊激勵，其包含齒輪正常嚙合產(chǎn)生的振動及齒輪及齒輪箱故障缺陷產(chǎn)生的激勵沖擊，它的變化受齒輪嚙合剛度和傳動誤差變化的影響，同時還與齒面摩擦力方向的變化有關(guān)，在潤滑狀態(tài)良好時，且齒面粗糙度較低的情況下，齒面摩擦力的變化對嚙合振動的影響較小，通常可以忽略不作考慮，從而表達(dá)式可以進(jìn)一步表示為

M+C+k(t)=k(t)E1+k(t)E2(t)(3-2)其中，E1：齒輪受載后的平均靜彈性變形；E2(t)：齒輪誤差和故障造成的兩個輪齒間的相對位移，又稱故障函數(shù)；k(t)E1：表示為齒輪正常狀態(tài)工作時的常規(guī)振動：k(t)E2(t)：表示為齒輪缺陷時引起的異常振動，取決于齒輪嚙合剛度和故障函數(shù)[28][29]。3.1.1齒輪系統(tǒng)振動動態(tài)激勵分析齒輪系統(tǒng)的振動激勵分為外部和內(nèi)部激勵兩大類，外部激勵指系統(tǒng)外部對齒輪傳動系統(tǒng)的激勵，一般反映原動機(jī)的驅(qū)動力矩和負(fù)載的阻力及阻力矩，外部激勵與一般機(jī)械系統(tǒng)是一樣的，而內(nèi)部激勵是齒輪副嚙合過程中產(chǎn)生的，是齒輪傳動系統(tǒng)所特有的，內(nèi)部激勵是齒輪傳動振動機(jī)理分析主要研究的對象。內(nèi)部激勵包括剛度激勵、誤差激勵及嚙合沖擊激勵三大類。1、剛度激勵由式3-2可見，齒輪箱中齒輪副嚙合的振動的本質(zhì)是由齒輪嚙合剛度及齒輪故障共同引起的。由齒輪副嚙合原理可知，齒輪嚙合的重合數(shù)大多不是整數(shù)，嚙合過程中同時參與嚙合的齒對數(shù)隨時間而周期變化，嚙合剛度K(t)為周期性的變量，時變嚙合剛度K(t)的變化可用兩點(diǎn)來說明，一是隨著嚙合點(diǎn)位置的變化（主動輪嚙合點(diǎn)位置從齒頂?shù)烬X根，從動輪相反），參加嚙合的輪齒的在齒面上位置發(fā)生了很大的變化，齒輪承載剛度發(fā)生了變化，二是參加嚙合的齒數(shù)在變化（嚙合從單齒嚙合到雙齒嚙合再到單齒嚙合），單齒嚙合時剛度較小，雙齒嚙合時嚙合綜合剛度較大。從齒輪嚙合傳動原理可知，齒輪的嚙合剛度變化規(guī)律取決于齒輪嚙合的重合系數(shù)和齒輪的類型。綜上所述,齒輪輪齒的剛度激勵實(shí)際上是由于嚙合過程中單、雙齒對嚙合交替出現(xiàn)導(dǎo)致輪齒綜合嚙合剛度和輪齒載荷周期性變化所引起的對齒輪系統(tǒng)的動態(tài)激勵[]。圖3-2齒輪齒面承載剛度圖3-3齒輪嚙合剛度曲線2、誤差激勵由式3-2可見，引起齒輪傳動系統(tǒng)的振動另一部分是由齒輪誤差和故障造成的。由于齒輪加工、安裝及運(yùn)行過程中所引起的齒輪齒廓表面相對于理想齒廓位置的偏移是齒輪傳動系統(tǒng)的誤差激勵，它是嚙合齒輪間的一種周期性位移激勵。一般又可以分為齒距偏差和齒形偏差兩種形式。3、嚙合沖擊激勵由于齒輪的誤差，齒輪副嚙合過程中，輪齒在進(jìn)入和退出的嚙合點(diǎn)會偏離理論嚙合點(diǎn)，產(chǎn)生線外嚙合，使嚙合齒面間嚙入、嚙出產(chǎn)生沖擊力，引起齒輪振動[30]。3.1.2齒輪故障失效形式分析據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)[31]。齒輪的失效占齒輪箱零部件失效的比例大概占到60%左右，因此分析齒輪失效形式對于齒輪故障診斷有著非常重要的意義。齒輪在運(yùn)轉(zhuǎn)時，由于齒輪制造時可能存在誤差、裝配工藝不當(dāng)或操作維護(hù)不到位，齒輪會產(chǎn)生各種形式的失效，齒輪失效形式又隨著齒輪材料、熱處理、運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)等因素的不同而改變。常見的齒輪失效形式有齒輪齒面磨損、齒面膠合和擦傷、齒面接觸疲勞、斷齒[32][33][34]。1、齒面磨損齒輪在嚙合過程中，在輪齒嚙合接觸表面出現(xiàn)材料摩擦損傷的現(xiàn)象稱為齒面磨損，嚴(yán)重的齒面磨損，會導(dǎo)致輪齒改變，增大嚙合誤差，振動噪聲增大，齒輪傳動效率降低，甚至導(dǎo)致齒厚變薄齒輪斷齒。根據(jù)磨損性質(zhì)的不同可以分為磨料磨損和腐蝕磨損兩大類。（1）磨料磨損在齒輪嚙合過程中，若潤滑油供應(yīng)不足、油質(zhì)變異或者外來的金屬或非金屬小顆粒出現(xiàn)在齒輪嚙合表面，將直接導(dǎo)致齒面發(fā)生強(qiáng)烈的磨粒磨損，磨粒磨損的進(jìn)一步發(fā)展會使齒輪齒形改變，側(cè)隙加大，引起振動噪聲增大，齒厚減薄，甚至出現(xiàn)“刀片”狀齒尖，最終可能引起齒輪斷齒嚴(yán)重故障。（2）腐蝕磨損腐蝕磨損以化學(xué)腐蝕作用為主要特征，并伴有機(jī)械磨損的一種損傷形式，潤滑油中的活性成分(酸、水分等)和齒輪材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成齒輪腐蝕，伴隨著齒輪的嚙合形成化學(xué)機(jī)械綜合腐蝕，從而導(dǎo)致腐蝕磨損。嚴(yán)重的腐蝕磨損也會導(dǎo)致齒輪齒厚變薄。2、齒面膠合和擦傷膠合和擦傷一般發(fā)生在重載或高速的齒輪傳動系統(tǒng)中，主要由于齒輪潤滑條件的不合適而導(dǎo)致嚙合齒面間的油膜破裂，此時，在重載或高速情況下，齒輪嚙合齒面直接接觸，一個齒面的金屬會熔焊在與之嚙合的另一個齒面上，形成一種十分嚴(yán)重的損傷現(xiàn)象。新齒輪未經(jīng)跑合時，常在某一局部產(chǎn)生也這種現(xiàn)象，使齒輪擦傷。齒面膠合又分為熱膠合和冷膠合兩種形式。（1）熱膠合損傷常常在高速齒輪中，由于齒面間接觸點(diǎn)局部溫度升高，潤滑油膜破裂，嚙合齒面金屬熔合而后又撕裂損傷。（2）冷膠合損傷一般在重載低速傳動情況下產(chǎn)生的，由于局部壓力過高，表面油膜破裂，造成嚙合齒面直接接觸，在高壓力下產(chǎn)生塑性變形，接觸點(diǎn)由于分子互相的擴(kuò)散和局部再結(jié)晶而粘合，當(dāng)滑動時，粘合結(jié)點(diǎn)被撕開而形成冷膠合損傷。3、齒面接觸疲勞齒輪在嚙合過程中，既有相對滾動，又有相對滑動，在這兩種力的作用下使齒輪表面層深處產(chǎn)生脈動循環(huán)變化的切應(yīng)力，輪齒在這種切應(yīng)力反復(fù)作用下，引起局部金屬剝落而造成點(diǎn)蝕損傷，其損傷形式根據(jù)輕重程度不同可以分為麻點(diǎn)疲勞剝落、淺層疲勞剝落和硬化層疲勞剝落。（1）麻點(diǎn)疲勞剝落齒輪在接觸應(yīng)力作用下，嚙合齒輪表面呈點(diǎn)蝕、片狀的疲勞損傷，稱為麻點(diǎn)疲勞剝落，形成深度小于0.1mm,直徑小于1mm的初始細(xì)小麻點(diǎn)，在接觸應(yīng)力較大循環(huán)次數(shù)較多的情況下，初始麻點(diǎn)再引發(fā)次生裂紋，發(fā)展成剝落面積較大、較深的剝落坑，進(jìn)而形成破壞性麻點(diǎn)。（2）淺層疲勞剝落比麻點(diǎn)剝落大而深的接觸疲勞剝落損傷稱為淺層疲勞剝落，發(fā)生在硬化層深度范圍以內(nèi)，往往發(fā)生在齒輪表面粗糙度低，相對摩擦力小的場合。（3）硬化層疲勞剝落經(jīng)表面強(qiáng)化處理的齒輪在工作過程中出現(xiàn)在塊狀剝落，深度達(dá)到硬化層過渡區(qū)，稱為硬化層疲勞剝落，一般發(fā)生大功率重載低速齒輪箱中，是一種嚴(yán)重的齒輪故障。4、斷齒齒輪在嚙合傳動過程中，其根部受到脈動循環(huán)應(yīng)力作用，當(dāng)這種周期性的應(yīng)力過高，或其它原因使齒輪強(qiáng)度降低，會在根部產(chǎn)生裂紋，并逐步擴(kuò)展，或是在齒輪嚙合過程中受到嚴(yán)重沖擊過載時，也會引起齒根裂紋，當(dāng)其它部分無法承擔(dān)外載荷時，齒輪將發(fā)生嚴(yán)重故障斷齒。3.1.3齒輪振動信號的調(diào)制分析一對正常嚙合的齒輪，參與嚙合的齒數(shù)由一對變?yōu)閮蓪?，又由兩對變?yōu)橐粚?，形成單、雙齒嚙合交替，因?qū)X輪施加一個周期性沖擊力，從而形成齒輪嚙合振動。其嚙合頻率及諧頻成分為：（3-3）——諧波幅值；——嚙合頻率；——諧波相位；M——嚙合頻率的最大諧波數(shù)；，其中，N為齒輪軸轉(zhuǎn)速（r/min）;Z為齒輪的齒數(shù)；為齒輪軸旋轉(zhuǎn)頻率；（3-4）當(dāng)齒輪出現(xiàn)故障或齒輪箱軸承、軸等出現(xiàn)故障時，反映在齒輪嚙合時常產(chǎn)生沖擊，振動信號出現(xiàn)不同程度的調(diào)制現(xiàn)象（低頻信號特征量控制高頻信號相應(yīng)特征量），在齒輪的振動頻譜圖中，常見到在嚙合頻率或其諧波頻率兩側(cè)存在一些等間距的復(fù)雜頻率成分，這些頻率成分稱為邊頻帶，它反映了振動信號的調(diào)制特征。邊頻的增多在某種程度上揭示了齒輪箱故障的發(fā)生，邊頻的距離反映故障的來源，其幅值反映了故障的嚴(yán)重程度。因此，對齒輪振動信號中出現(xiàn)的調(diào)制現(xiàn)象進(jìn)行分析，有效地區(qū)分不同的調(diào)制型故障的振動特征，識別邊頻帶特征，在很大程度上就決定了齒輪故障診斷的成敗。在齒輪嚙合傳動過程中，載荷、剛度及轉(zhuǎn)速的波動和齒輪由于加工誤差、傳動誤差、嚙合沖擊等都會使齒輪振動信號發(fā)生變化，影響到其幅值和頻率（相位）的變化，產(chǎn)生幅值調(diào)制和頻率調(diào)制現(xiàn)象。1、幅值調(diào)制分析[35][36]設(shè)調(diào)幅信號數(shù)學(xué)模型如下：（3-5）其中，A為調(diào)幅信號幅值，為調(diào)制頻率(一般為軸轉(zhuǎn)頻率)，B為調(diào)制系數(shù)，載波頻率（一般為齒輪嚙合頻率）。將式（2）展開如下：（3-6）式（3-6）中，如果只考慮正頻率部分的傅里葉變換，得（3-7）從式（3-7）中看出調(diào)幅信號含有的頻率成分為、、，對應(yīng)的幅值分別為、、，它們是以為中心，以為間隔的對稱邊頻，如圖3-4所示。圖3-4幅值調(diào)制邊頻帶[]2、頻率調(diào)制分析設(shè)調(diào)頻數(shù)學(xué)模型如下：（3-8）其中A為調(diào)頻信號幅值，為載波頻率，調(diào)制頻率，調(diào)制系數(shù)。將式（3-8）由歐拉公式展開如下：根據(jù)Bessel恒等式，得（3-9）其中（——變量的第一類Bessel函數(shù)。式（3-9）只考慮正頻率部分的傅里葉變換為：（3-10）根據(jù)Bessel函數(shù)性質(zhì)，，從式（3-10）中看出，調(diào)頻信號包含一組以為中心，以間隔對稱頒布的調(diào)制邊頻帶。圖3-5頻率調(diào)制邊頻帶3、調(diào)幅調(diào)頻綜合調(diào)制分析設(shè)調(diào)幅調(diào)頻數(shù)學(xué)模型如下：（3-11）式中，A為信號幅值，為調(diào)制頻率（調(diào)幅和調(diào)頻為同一調(diào)制源），B為調(diào)幅系數(shù)，為載波頻率，為調(diào)頻系數(shù)。根據(jù)（3-9）式推導(dǎo)結(jié)果，將式（3-11）展開得，（3-12）式（3-12）只考慮正頻率部分的傅里葉變換為，（3-13）從式（3-13）中可以觀察到，調(diào)幅和調(diào)頻同時存在時，信號包括分別以、、為中心，間隔都為的三組頻率成分進(jìn)行失量疊加的一組頻率成分，下面計(jì)算兩邊頻率對應(yīng)的幅值的關(guān)系：（3-14）（3-15）式中K為正整數(shù)。比較式（3-14）和式（3-15），由于＜０或者＜０，因此，無論Ｋ取何值，式（3-14）與式（3-15）幅值都不會相等，即（K＞0）(3-16)由式（3-16）知，調(diào)幅與調(diào)頻率同時存在時，振動信號的調(diào)制邊頻帶不再對稱。圖3-6調(diào)幅調(diào)頻邊頻帶不對稱圖3.2滾動軸承故障機(jī)理分析3.2.1滾動軸承振動機(jī)理分析滾動軸承振動主要是由自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和軸承故障產(chǎn)生的,其振動機(jī)理如圖3-7所示。圖3-7滾動軸承振動機(jī)理1、滾動軸承結(jié)構(gòu)特性引起的振動滾動軸承作為回轉(zhuǎn)支承構(gòu)件,在回轉(zhuǎn)軸載荷作用下，最下面的滾動體受力最大，最上面的滾動體受力最小，其余滾動體的受力大小根據(jù)其位置的不同而呈類似扇形分布。在滾動軸承在旋轉(zhuǎn)過程中，最下面的滾動體從載荷中心線下面向非載荷中心線位置滾動，其接觸力由大變小，引起軸頸中心的位移。軸頸中心不僅有上下方向的微動，隨滾動體位置的變化，還有水平方向的微動。因此，只要軸在旋轉(zhuǎn)，每個滾動體通過載荷中心線時，就會發(fā)生一次力的變化，對軸頸和軸承座產(chǎn)生周期性沖擊激勵作用，這個激勵頻率稱為通過頻率(3-17)其中,為保持架旋轉(zhuǎn)頻率；z—軸承內(nèi)滾動體的個數(shù)。2、滾動軸承故障引起的振動滾動軸承處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時，由于潤滑不良、載荷過大或者沖擊等原因都可能會在滾動軸承的內(nèi)外圈滾動體上起剝落、裂紋、壓痕等缺陷或局部的損傷。滾動體在通過故障部位時會產(chǎn)生一個微弱的但能夠激起軸承內(nèi)組件固有頻率振動的高頻沖擊脈沖信號。因此，由軸承故障引起的振動信號，其頻率成分中不但包含了軸承故障特征的頻率，而且還包含軸承部件的自振頻率。滾動軸承部件的損傷形態(tài)與軸承所在軸的旋轉(zhuǎn)速度決定了滾動軸承故障振動的頻譜結(jié)構(gòu)。3.2.2滾動軸承故障故障特征頻率分析齒輪箱中滾動軸承一般由軸承內(nèi)圈、軸承外圈、滾動體與保持架四大部件構(gòu)成。一般情況下，軸承外圈保持不動，軸承內(nèi)圈隨回轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。如圖3-8所示為滾動軸承的典型結(jié)構(gòu)。圖3-8滾動軸承典型結(jié)構(gòu)圖圖中，D—軸承滾動體中心所在圓的直徑；d—滾動體的直徑；Z—滾珠數(shù)目；r1—軸承內(nèi)環(huán)滾道半徑；r2—軸承外環(huán)滾道半徑；a—接觸點(diǎn)中心線與滾珠中心線的夾角。滾動軸承在運(yùn)行中發(fā)生的故障，一般可分為兩類：一類可稱為磨損類故障，由于零件的磨損造成間隙逐漸變大，振動增大，這是一種漸變性的故障，振動時域波形沒有規(guī)律性，隨機(jī)性較強(qiáng)，通頻帶振動幅值往往增大，能明顯反映出滾動軸承故障發(fā)展趨勢；另一類是軸承元件表面損傷性故障，包括滾珠、內(nèi)圈、外圈滾道等表面點(diǎn)蝕、金屬剝落或擦傷等。當(dāng)軸承元件滾過表面損傷點(diǎn)時，即會產(chǎn)生突變的周期性沖擊脈沖力，這是損傷類故障的基本特征。磨損類故障一般有一個較長的發(fā)展過程，可以通過定期對軸承振動總量進(jìn)行監(jiān)測，并作趨勢分析進(jìn)行預(yù)防，而損傷類故障是一種突發(fā)性又比較危險(xiǎn)且早期癥狀較難識別的一類故障，該類故障正是進(jìn)行軸承故障診斷時需要加以研究的重點(diǎn)[37]。軸承故障診斷的關(guān)鍵是獲取滾動軸承故障特征頻率。滾動軸承在運(yùn)行過程中，軸承元件的工作表面損傷點(diǎn)反復(fù)撞擊與之相接觸的其它元件表面而產(chǎn)生低頻振動成分，頻率一般在1kHz以下，該頻率稱為軸承故障特征頻率，參考相關(guān)文獻(xiàn)計(jì)算方法如下[38]：在實(shí)際工作中，有時可能無法得到滾動軸承的幾何尺寸，可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對于安裝方式為內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)、外圈固定的軸承可按軸承的滾珠數(shù)來估算其內(nèi)外圈的故障頻率。即0.6Z×為內(nèi)圈故障頻率，0.4Z×為外圈故障頻率。此外，滾動軸承在其運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，由于滾動體與內(nèi)圈或外圈故障產(chǎn)生周期性沖擊可能激發(fā)起起軸承各元件的固有頻率。軸承元件的固有頻率僅取決于其材料、結(jié)構(gòu)、尺寸和質(zhì)量及安裝方式。滾動體固有頻率為：(3-18)軸承內(nèi)、外圈在其環(huán)平面內(nèi)的固有頻率的計(jì)算公式：(3-19)式中，r—滾動體半徑；ρ—滾動體密度；I—套圈截面繞中性軸的慣M—單位長度質(zhì)量；E—彈性模量；n—固有頻率的階數(shù)；—回轉(zhuǎn)軸線到中性軸的半徑。當(dāng)軸承元件表面產(chǎn)生局部損傷時，軸承系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)時就會產(chǎn)生周期性的脈沖激勵，而脈沖力是一寬頻帶信號，在其高頻區(qū)必然會包含加速度計(jì)或某些機(jī)械結(jié)構(gòu)的諧振頻率，激起較大的激勵響應(yīng)。這些響應(yīng)頻率作為載波頻率與滾動軸承的故障頻率會產(chǎn)生調(diào)制。因此通過高頻解調(diào)方法(如共振解調(diào))可以將軸承故障頻率信號從高頻信號中解調(diào)出來，從而能有效提高滾動軸承故障信號的信噪比。對于滾動軸承振動的頻譜結(jié)構(gòu)，可分為三個部分：圖3-9滾動軸承振動信號頻率頒布圖(1)低頻段頻譜(1kHz以下)，包括軸承的故障特征頻率及加工誤差引起的振動特征頻率。通過分析低頻段的譜線，可以監(jiān)測和診斷相應(yīng)的軸承故障。但是由于這一頻段易受齒輪箱齒輪振動的影響，并且在軸承故障初期反映局部損傷故障位置的特征頻率成分信息的能量小，常常淹沒在齒輪振動或噪聲信號中，因此低頻段頻譜不易于診斷軸承的早期局部損傷故障。但通過低頻段的分析，可以將軸承裝配不對中、保持架變形等故障診斷出來。(2)中頻段頻譜(1kHz～20kHz以下)，主要包括軸承元件表面損傷引起的軸承元件的固有振動頻率。分析此頻段內(nèi)的振動信號可以較好地診斷出軸承的局部損傷故障。通常采用共振解調(diào)技術(shù)，獲得信噪比較高的振動信號，進(jìn)而分析軸承故障。(3)高頻段頻譜(20kHz以上)。如果測量用的加速度傳感器諧振頻率較高(40kHz以上)，那么由于軸承損傷引起的沖擊在20kHz以上的頻率也有能量分布，所測得的信號中含有20kHz以上的高頻成分。對此高頻信號進(jìn)行分析就可以診斷出軸承的早期相應(yīng)故障[39]。3.2.3滾動軸承失效形式分析滾動軸承故障有多種失效形式，一般可能歸納為磨損失效、疲勞失效、斷裂失效、壓痕失效和膠合失效（1）滾動軸承的磨損失效磨損失效是滾動軸承最常見的一種失效形式之一。一般是由于滾動軸承潤滑條件不好或潤滑劑有塵?；蜃冑|(zhì)引起軸承回轉(zhuǎn)部件之間直接接觸導(dǎo)致機(jī)械摩擦或微小顆粒磨損，導(dǎo)致軸承滾動體或內(nèi)外圈滾道上出現(xiàn)不均勻的劃痕。持續(xù)的軸承磨損會增大軸承游隙，增加其接觸表面粗糙度，乃至降低軸承運(yùn)轉(zhuǎn)精度，導(dǎo)致機(jī)器的運(yùn)動精度降低，使得振動與噪聲增大。（2）滾動軸承的疲勞失效疲勞失效是滾動軸承的另一種主要失效形式之一。常常表現(xiàn)為滾動體或滾道表面點(diǎn)蝕或剝落。其初期是在軸承元件滾動體或內(nèi)外滾道表面上形成不規(guī)則的點(diǎn)蝕，再慢慢發(fā)展到逐漸延伸成片。在滾動軸承在工作時，由于滾動體與內(nèi)、外圈接觸面積很小，因此接觸壓力很大。在高速旋轉(zhuǎn)時，由于巨大交變接觸應(yīng)力多次反復(fù)沖擊作用，軸承元件金屬表面就會發(fā)生疲勞點(diǎn)蝕，產(chǎn)生剝落，形成小凹坑。造成滾動軸承疲勞失效的主要原因是載荷引起的交變應(yīng)力。（3）滾動軸承的斷裂失效軸承零件的裂紋與破斷主要是由于磨削作用或熱處理不到位引起的，也有的是由于運(yùn)行時承載載荷過大，轉(zhuǎn)速過高，潤滑不良或裝配不善，使軸承某個部位發(fā)生應(yīng)力集中，產(chǎn)生點(diǎn)蝕引發(fā)裂紋，進(jìn)而導(dǎo)致軸承元件斷裂。（4）滾動軸承的壓痕失效壓痕是主要是由于軸承過載、撞擊或異物進(jìn)入滾道內(nèi)使得滾動體或滾道表面上產(chǎn)生局部塑性變形而出現(xiàn)的凹坑。當(dāng)軸承裝配不當(dāng)時，也可能造成軸承壓痕損傷，并引起軸承回轉(zhuǎn)周期性沖擊力，導(dǎo)致軸承失效。（5）滾動軸承的膠合失效膠合指滾道和滾動體表面因過熱而局部融合在一起而引發(fā)的軸承失效，常常在高速、高溫、重載及潤滑不良等情況下產(chǎn)生[40][41]。3.3齒輪箱故障振動信號分析及搖臂齒輪箱典型故障特征分析3.3.1齒輪箱故障振動信號分析由前面章節(jié)分析可知，齒輪箱振動主要是由于齒輪嚙合引起的常振動及由故障函數(shù)引起的非正常振動和軸承故障引起的振動組成。當(dāng)齒輪、軸承或軸出現(xiàn)故障時，齒輪箱振動信號呈現(xiàn)出不同程度的調(diào)制現(xiàn)象，表現(xiàn)在頻譜圖上出現(xiàn)形式各異的調(diào)制邊頻帶，根據(jù)齒輪箱故障形式及故障程度的不同將有不同形式振動信號調(diào)制特征[42]。一般來說，齒輪箱故障振動頻譜由以下幾種頻率成分組成：1、各軸旋轉(zhuǎn)頻率及其高次諧波頻率；2、齒輪嚙合頻率及其高次諧波頻率；3、以齒輪嚙合頻率及其高次諧振波為載波頻率，齒輪軸旋轉(zhuǎn)頻率為調(diào)制頻率的齒輪嚙合調(diào)制現(xiàn)象而產(chǎn)生的邊頻帶；4、以齒輪固有頻率為載波頻率，以齒輪所在軸的旋轉(zhuǎn)頻率及其高次諧波頻率為調(diào)制頻率的固有頻率共振調(diào)制現(xiàn)象而產(chǎn)生的邊頻帶；5、以齒輪箱箱體固有頻率為載波頻率，以齒輪所在軸的旋轉(zhuǎn)頻率及其高次諧波頻率為調(diào)制頻率的箱體共振調(diào)制現(xiàn)象而產(chǎn)生的邊頻帶；6、以軸承外圈固有頻率為載波頻率，以滾動軸承通過頻率為調(diào)制頻率的調(diào)制現(xiàn)象而產(chǎn)生的邊頻帶；7、其它成分（主要包括附加脈沖與隱含譜線及交叉調(diào)制成分）。3.3.2搖臂齒輪箱主要故障形式及振動信號故障特征[43][44]根據(jù)第2章節(jié)分析，搖臂齒輪箱故障主要發(fā)生在高速區(qū)及低速區(qū)行星輪系齒輪及軸承。主要故障為一級直齒輪及軸承故障，行星輪系行星輪、內(nèi)齒圈、大軸承等。1、齒輪齒形誤差齒形誤差是指齒輪齒形偏離理想的齒廓線，其中包括制造誤差、安裝誤差及運(yùn)行過程中由于各種故障原因產(chǎn)生的誤差。包括齒面塑性變形、表面不均勻磨損等，頻譜結(jié)構(gòu)以齒輪嚙合頻率及其諧波為載波頻率，齒輪所在軸旋轉(zhuǎn)頻率及其倍頻為調(diào)制頻率的嚙合頻率調(diào)制。當(dāng)齒形誤差嚴(yán)重時，由于激振能量較大，以齒輪各階固有頻率為載波頻率，齒輪所在軸轉(zhuǎn)頻及其倍頻為調(diào)制頻率的齒輪共振頻率調(diào)制；振動能量和包絡(luò)能量有一定程度的增大。2、齒輪均勻磨損齒輪均勻磨損時由于無沖擊振動信號產(chǎn)生，所以不會出現(xiàn)明顯的調(diào)制現(xiàn)象。當(dāng)磨損達(dá)到一定程度時，齒輪嚙合頻率及其諧波的幅值明顯增大，階數(shù)越高，幅值增大的幅度越大，振動能量有較大幅度的增加。3、斷齒斷齒是一種嚴(yán)重的齒輪故障，主要形式分為疲勞斷齒輪和過載沖擊斷齒，其中大多數(shù)為疲勞斷齒，斷齒時其振動信號沖擊能量大，時域表現(xiàn)為幅值很大的沖擊振動，頻譜主要以齒輪嚙合頻率及其高次諧波為載波頻率，齒輪所在軸轉(zhuǎn)頻及其倍頻為調(diào)制頻率的嚙合頻率調(diào)制，調(diào)制邊頻帶寬而高，甚至出現(xiàn)齒輪固有頻率調(diào)制現(xiàn)象。4、滾動軸承疲勞剝落和點(diǎn)蝕齒輪箱中滾動軸承最典型的故障為內(nèi)圈、外圈和滾動體疲勞剝落和點(diǎn)蝕，在其頻譜的中高頻區(qū)外圈固有頻率附近出現(xiàn)明顯的調(diào)制邊帶，產(chǎn)生以外圈固有頻率為載波頻率，以軸承通過頻率為調(diào)制頻率的固有頻率調(diào)制現(xiàn)象。只是由于滾動軸承產(chǎn)生的振動在齒輪箱中與齒輪振動相比能量較小，解調(diào)譜中調(diào)制頻率幅值一般較小。5、箱體共振當(dāng)搖臂齒輪有嚴(yán)重故障如斷齒或齒輪箱承受巨大的外界沖擊過載時，會引發(fā)搖臂齒輪箱箱體共振現(xiàn)象，齒輪嚙合頻率及其諧波幅值將增大，且引起箱體共振信號調(diào)制現(xiàn)象。3.4本章小節(jié)本章首先分析對齒輪振動機(jī)理、失效形式及信號調(diào)制進(jìn)行分析研究，再對滾動軸承振動機(jī)理及常見失效形式進(jìn)行分析研究，然后對搖臂齒輪箱故障典型失效形式及振動信號主要組成成分進(jìn)行分析研究。4信號分析方法研究4.1振動信號時域分析4.1.1時域波形分析時域波形分析是齒輪箱故障振動診斷中最直觀的分析方法,通過觀察時域波形對齒輪箱有無故障作初步的判斷,而對于齒輪某些典型故障，有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)備現(xiàn)場維護(hù)人員可以直接通過觀察振動時域波形的特征來獲取齒輪箱故障信息，從而做出初步的判斷[45]。表4-1常見齒輪故障的振動時域波形及頻譜特征的對照表`觀察信號時域波形，可以對所測齒輪箱振動信號有個大概的了解：1、觀察時域波形有無明顯的周期性；2、定期觀察振動信號幅值有無變化，是否明顯異常；現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行維護(hù)人員可以對齒輪箱狀態(tài)作出有無故障及故障嚴(yán)重程度如何的初步判斷。4.1.2時域特征值統(tǒng)計(jì)分析時域特征值根據(jù)有無量綱分為兩大類，一類是常用的有量綱統(tǒng)計(jì)特征值，包括最大值、最小值、峰值、均值、均方值和方差等；另一類稱為無量綱的特征值，包括方根幅值、平均幅值、均方幅值、峭度、波形指標(biāo)、峰值指標(biāo)、脈沖指標(biāo)和裕度指標(biāo)等。在齒輪箱的狀態(tài)檢測和故障診斷中，要特別注意這兩類指標(biāo)的綜合運(yùn)用，有量綱特征值一般隨著齒輪箱的不同而改變，不同種類和大小的齒輪箱測量得到的有量綱特征值是不可對比的，有時甚至同種類和大小的齒輪箱在不同工況下測量得到的有量綱特征值也不能直接進(jìn)行對比分析。而不同種類和大小的齒輪箱測量得到的無量綱的特征分析值在一定的情況下是可以迸行對比分析的。對于有限長度的離散時間序列，其有量綱的統(tǒng)計(jì)特征值為：最大值（4-1）最小值（4-2）峰峰值（4-3）均值（4-4）均方值（4-5）方差（4-6）方根幅值（4-7）平均幅值（4-8）均方幅值（4-9）峰值（4-10）2、無量綱特征值峭度（4-11）波形指標(biāo)（4-12）峰值指標(biāo)（4-13）脈沖指標(biāo)（4-14）裕度指標(biāo)（4-15）利用有量綱的統(tǒng)計(jì)特征值進(jìn)行時域分析，得到的結(jié)果不但與齒輪箱的技術(shù)狀態(tài)有關(guān)，而且與齒輪箱的運(yùn)行參數(shù)有很大的關(guān)系，所以在故障診斷進(jìn)行比較時，必須保證齒輪箱運(yùn)行參數(shù)基本一致和測試點(diǎn)一致;而無量綱特征值只與齒輪箱技術(shù)狀態(tài)有關(guān)，齒輪箱對負(fù)荷和轉(zhuǎn)速變化不敏感，是一種較好的診斷指標(biāo)。在齒輪箱發(fā)生故障時，一般振動能量會有較大的增加，一般都會有沖擊振動信號的產(chǎn)生。在有量綱的統(tǒng)計(jì)特征值中，方差直接反映了振動能量的大小，因此常用來作為重要的評價指標(biāo)；振動速度的均方根值一般稱為振動烈度，也是一個常用的重要的評價參量。在無量綱的統(tǒng)計(jì)特征值中，峭度、峰值指標(biāo)和脈沖指標(biāo)反映了沖擊能量的大小，是齒輪箱故障診斷較好的評價參量[46]。4.1.3時域平均分析信號時域平均分析是從混有噪聲干擾的復(fù)雜信號中提取特定周期分量的有效方法。同周期時域平均需要保證按特定整周期截取信號，并保證信號起始點(diǎn)的相位相同，在齒輪箱信號中，總是取齒輪所在軸的旋轉(zhuǎn)周期的整數(shù)倍，通常的做法是，在測取齒輪箱振動信號的同時，記錄一個轉(zhuǎn)速同步脈沖信號，在做信號的時域平均時，以同步脈沖的整數(shù)倍來觸發(fā)信號平均相加，隨著平均次數(shù)的增加所在軸的齒輪回轉(zhuǎn)頻率、嚙合頻率等有效成分被保留，而其它振動信號及噪聲部分得以減弱，由此可以得到較振動信號中周期性分量，觀察時域波形就可以大致判斷齒輪箱故障特征頻率。圖4-1時域平均分析原理其具體操作過程：在時域平均分析中需要拾取兩個信號:一個是齒輪箱振動信號；另一個是轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)一周的時標(biāo)信號。時標(biāo)信號經(jīng)過擴(kuò)展或壓縮運(yùn)算，使原來的周期T轉(zhuǎn)換為T’，相當(dāng)于被檢齒輪轉(zhuǎn)過一整轉(zhuǎn)的周期。這時振動信號就可以此周期T’截段迭加，然后進(jìn)行平均。這種平均的過程實(shí)質(zhì)上是在所攝取的原始信號中消除其它噪聲的干擾，提取有效信號的過程。最后，再經(jīng)過光滑化濾波，即可得到被檢齒輪的有效信號。圖4-2齒輪在各種狀態(tài)下的時域平均信號圖4-2是齒輪振動信號經(jīng)時域平均技術(shù)分析后得到的波形圖，振動信號時域波上較明顯故障可以直觀反映出來，如圖4-3所示，圖（a）是正常齒輪的時域平均信號，信號平穩(wěn)，表明齒輪嚙合正常，暫時沒有故障趨勢；圖（b）是齒輪安裝不對中時的時域平均波形圖，從中可以看出齒輪振動信號受到幅值調(diào)制，從時域包絡(luò)分析可以看到，調(diào)制頻率較低，一般為故障軸所在旋轉(zhuǎn)頻率；圖（c）是齒輪的齒面受到嚴(yán)重磨損情況下的時域平均分析波形圖，時域波形平穩(wěn)性被打亂，表現(xiàn)在時域統(tǒng)計(jì)特征幅值明顯增大；圖（d）為齒輪有局部剝落、裂紋或斷齒時典型的時域平均波形，振動幅值在某一位置突然升高，現(xiàn)場將明顯聽到異常振動噪聲，表明齒輪故障已達(dá)嚴(yán)重程度，情況不容樂觀，需緊急處理[45][47]。4.1.4相關(guān)分析[48]信號的相關(guān)分析，指的是信號之間的線性聯(lián)系或相互依賴關(guān)系，信號的相關(guān)分析可以分為自相關(guān)分析和互相關(guān)分析，這里只分析在設(shè)備故障診斷中常用的自相關(guān)分析。在設(shè)備故障診斷中，可以用信號的自相關(guān)分析來判斷信號的中周期性成分，從而達(dá)到故障診斷的目的。在數(shù)學(xué)上可以用信號之間的內(nèi)積來表示自相關(guān)函數(shù)，信號的自相關(guān)分析函數(shù)定義為：（4-16）在用振動信號診斷齒輪箱運(yùn)行狀態(tài)時，正常齒輪箱振動信號由大量、無序、大小近似相等的隨機(jī)成分疊加而成，因此正常齒輪箱振動信號具有較寬而均勻的頻譜結(jié)構(gòu)，當(dāng)齒輪箱出現(xiàn)故障趨勢異常時，振動信號中將出現(xiàn)有規(guī)則、周期性的信號，其幅度要比正常振動信號的幅度要大得多。用自相關(guān)函數(shù)就可在復(fù)雜振動信號中發(fā)現(xiàn)隱藏的周期性分量，確定齒輪箱故障，特別對于早期齒輪箱故障特征，周期性信號不明顯，直接觀察難以發(fā)現(xiàn)，自相關(guān)分析就顯得比較重要4.2振動信號頻域分析頻域分析是齒輪箱故障振動診斷最常用的分析方法。通過傅里葉變換（特別是快速傅里葉變換的應(yīng)用）可以把信號從時域變換到頻域,在頻域上分析振動信號的組成結(jié)構(gòu),分析信號的主要頻率成分的幅值和相位,可以揭示齒輪箱故障原因及程度,是為振動信號的頻域分析故障診斷法。4.2.1信號頻譜分析基礎(chǔ)[49]1、傅里葉級數(shù)與離散頻譜根據(jù)傅里葉級數(shù)理論,任何周期性信號均可以展開為若干個簡諧振信號的疊加,設(shè)為周期信號,則有(4-17)式中,是靜態(tài)分量,為基頻,是第n次倍頻(n=1,2,3….);=,是第n次諧波的幅值,是第n次諧波的相位。（4-18）式中，T為基本周期；是基頻。如圖4-3可見，周期信號可分為一個或多個諧振波的疊加，如果以頻率為橫座標(biāo)，幅值和相位為縱座標(biāo)可以得到信號的幅頻譜和相頻譜。圖4-3周期信號的傅里級數(shù)分解2、傅里葉變換與連續(xù)頻譜當(dāng)周期信號是周期T趨于無窮大時，則該信號可以看成非周期信號，信號頻譜的譜線間隔趨于無窮小，所以非周期信號的頻譜是連續(xù)的。根據(jù)相關(guān)數(shù)學(xué)知識[50]可以推導(dǎo)非周期信號的傅里葉變換公式對為：（4-19）（4-20）3、離散傅里葉變換（DFT）由于傅里葉變換及其逆變換不能直接用于計(jì)算機(jī)計(jì)算，對于離散的數(shù)字信號進(jìn)行傅里葉變換，需要借助離散傅里葉變換（DiscreteFourierTransform,DFT）。離散傅里葉變換公式為：（n=0，１，２，…N-1）（４-21）（k=0，１，２，…N-1）（４-22）式中，4、快速傅里葉變換（FFT）式（4-21）、（4-22），提供適合于計(jì)算機(jī)計(jì)算的離散傅里葉變換的公式，但是其計(jì)算算法復(fù)雜，計(jì)算量非常大，對長序列的DFT，因計(jì)算工作量大，計(jì)算時間長限制了其實(shí)際應(yīng)用，1965年美國學(xué)者Cooley和Tukey提出了基于離散傅里葉變換的快速算法FFT。FFT的基本思想是把長度為2的正整數(shù)次冪的數(shù)據(jù)序列{}分隔成若干較短的序列作DFT計(jì)算，用以代替原始序列的DFT計(jì)算，然后再把它們合并起來，得到整個序列{}的DFT。4.2.2功率譜分析功率譜分析反應(yīng)信號在頻域上隨頻率f的分布，它將對信號中主要頻率成分幅值進(jìn)行放大，突出振動信號的主要頻率成分。信號自功率譜密度函數(shù)（自譜）可以定義為信號自相關(guān)函數(shù)的傅立葉變換，記為Sx(f):（4-23）圖4-4是某齒輪的模擬故障信號的時域波形及其功率譜。在時域波形中，由于噪聲的作用，不能發(fā)現(xiàn)明顯的故障特征，當(dāng)對其作功率譜分析，在功率譜上可以看出相應(yīng)的故障頻率及其幅值大小及信號邊頻成分，根據(jù)每根譜線所對應(yīng)的頻率和幅值就可以判斷齒輪的運(yùn)行狀態(tài)及故障類型[34]圖4-4信號時域波形及其功率譜4.2.3頻譜細(xì)化分析（ZOOM-FFT）[51]細(xì)化譜分析是在頻譜分析中用來提高頻譜中某些部分頻率分辨率的方法，具有“顯微放大”的作用。在故障診斷中,故障的特征頻率往往只集中在某一頻段范圍內(nèi),根據(jù)故障敏感頻段內(nèi)各頻率成分的變化情況,便可知道故障產(chǎn)生的原因和程度。為了提高診斷的準(zhǔn)確性和可靠性,須在該頻段內(nèi)有較高的頻率分辨率。ZOOM-FFT技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一種選帶分析技術(shù),它利用移頻原理,將時域樣本進(jìn)行改造,使相應(yīng)頻譜原點(diǎn)移到感興趣的頻段的中心頻率處,再重新采樣作FFT分析,即可得到更高的分辨率。其原理如圖4-5所示。圖4-5復(fù)調(diào)制細(xì)化分析原理圖4.2.4倒頻譜分析[51]倒頻譜分析也是信號分析中常用的一種頻率分析手段，它可以發(fā)現(xiàn)隱藏在信號中的周期分量，突出微弱信號成分，且其不受傳遞路徑的影響。其往往作為功率譜分析的輔助譜，對于更好確定功率譜中調(diào)制邊頻率有較好的分辨作用。設(shè)時域信號的傅里葉變換為,功率譜函數(shù)為,倒頻譜的定義就是對功率譜的對數(shù)值進(jìn)行傅里葉逆變換,倒頻譜函數(shù)(PowerCepstrum)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為(4-24)式中,q為自變量,也稱為倒頻率,它具有與自相關(guān)函數(shù)中的自變量相同的時間量綱,q值大者稱為高倒頻率,表示譜圖上低頻振動,q值小者稱為低倒頻率,表示譜圖上高頻振動。某一級齒輪傳動箱，技術(shù)參數(shù)如下：主動軸轉(zhuǎn)速n=1500r/m，=30,=38。振動信號的功率譜和倒頻譜如圖4-6、4-7所示。圖4-6振動信號的功率譜圖4-7振動信號的倒頻譜從圖4-6中可以看出在755赫茲附近有異常異常振動信號，齒輪的嚙合頻率=1500/60×30=750Hz對振動信號的功率譜作倒頻譜分析，倒頻譜如圖4-7所示，圖中可見在T=40ms有一峰值出現(xiàn)，其對應(yīng)頻率為Hz，而主動軸轉(zhuǎn)頻為=1500/60=25Hz根據(jù)齒輪箱振動機(jī)理、信號調(diào)制原理分析可以推斷齒輪箱輸入軸Z1出現(xiàn)故障，拆開齒輪箱查看，發(fā)現(xiàn)齒輪Z1有點(diǎn)蝕現(xiàn)象。4.2.5Hilbert解調(diào)分析當(dāng)齒輪箱出現(xiàn)故障時,振動信號中往往包含故障信息且一般以調(diào)制形式出現(xiàn),如以齒輪所在軸旋轉(zhuǎn)頻率為調(diào)制頻率,齒輪嚙合頻率為載波頻率的調(diào)制現(xiàn)象,一般調(diào)制包括幅值調(diào)制和頻率調(diào)制,信號的解調(diào)方法較多,如Hilbert變換解調(diào)、檢波濾波解調(diào)、平方解調(diào)、共振解調(diào)等。本節(jié)對常用的Hilbert解調(diào)法作介紹[52]設(shè)一窄帶調(diào)制信號，其中，為低頻調(diào)制信號，令是信號是瞬時頻率，設(shè)的Hilert變換為，則它的解析信號為（4-25）則解析信號的模為